Algen gegen Ewigkeitschemikalien: Nanoreaktor knackt PFAS im Wasser
Neuer Ansatz gegen PFAS: Ein Nanoreaktor aus Meeresalgen zerlegt PFOA im Wasser, statt es nur zu filtern.
Neuer Ansatz gegen PFAS: Ein Nanoreaktor aus Meeresalgen zerlegt PFOA im Wasser statt es nur zu filtern.
Foto: Smarterpix / smithore
PFAS gelten als eines der hartnäckigsten Umweltprobleme unserer Zeit. Die fluorhaltigen Chemikalien finden sich in Textilien, Elektronik, Beschichtungen – und inzwischen fast überall im Wasser. Besonders problematisch ist Perfluoroctansäure (PFOA). Ihre stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen machen sie extrem langlebig. Klassische Filter- und Reinigungsverfahren stoßen hier schnell an Grenzen.
Ein Forschungsteam zeigt nun einen neuen Ansatz. Die Grundlage: Meeresalgen, genauer gesagt die Grünalge Ulva. Aus ihr stellen die Forschenden eine Biokohle her, die als Trägermaterial für einen photokatalytischen Nanoreaktor dient. Das Ergebnis ist ein Verbundmaterial, das PFOA nicht nur bindet, sondern aktiv zerlegt.
Ein Käfig auf Nanometer-Skala
Der Schlüssel liegt in der Struktur. Die Biokohle bildet eine poröse, käfigartige Architektur. In diesen Hohlräumen sitzen Nanopartikel aus Eisenoxid und Zinkoxid. Treffen Lichtstrahlen auf das Material, entstehen hochreaktive Sauerstoffspezies. Diese Teilchen können selbst stabile Moleküle wie PFOA angreifen.
Normalerweise ist genau das das Problem der Photokatalyse. Die reaktiven Spezies leben nur sehr kurz und reagieren oft ins Leere. Die neue Nanostruktur ändert das. Sie hält Schadstoffe und reaktive Moleküle räumlich dicht beieinander. So steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es tatsächlich zur Zersetzung kommt.
Warum Biokohle so gut funktioniert
Die Algen-Biokohle erfüllt dabei mehrere Aufgaben. Sie besitzt eine sehr große innere Oberfläche. Das verbessert die Verteilung der Nanopartikel und verhindert, dass sie verklumpen. Gleichzeitig bindet die Kohle PFOA-Moleküle an ihrer Oberfläche. Der Schadstoff landet damit genau dort, wo die reaktiven Sauerstoffspezies entstehen.
Die Forschenden beobachteten zudem, dass die eingeschlossene Struktur mehrere Arten dieser reaktiven Sauerstoffverbindungen begünstigt. Das verstärkt den chemischen Angriff auf die PFAS-Moleküle zusätzlich.
97 % Abbau in wenigen Stunden
Im Labor zeigte das Material eine hohe Effizienz. Innerhalb von vier Stunden entfernte der optimierte Katalysator mehr als 97 % des PFOA aus dem Wasser. Auch nach mehreren Einsatzzyklen blieb die Leistung stabil. Ein praktischer Vorteil kommt hinzu: Durch den Eisenoxid-Anteil ist das Material magnetisch. Es lässt sich nach der Reinigung mit einem äußeren Magnetfeld einfach wieder aus dem Wasser ziehen.
Käfigartige Ulva-Biokohle begrenzte die Synthese von Fe₃O₄/ZnO-Heteroübergangs-Nanopartikeln für die synergistische Adsorption und photokatalytische Zersetzung von PFOA.
Foto: Hua Jing, Daoqiong Zheng, Hao Du, Haojia Zhu, Mengshan Chen & Yingtang Zhou
Robust unter realen Bedingungen
Entscheidend für die Praxis ist die Robustheit. Der Katalysator arbeitete über einen breiten pH-Bereich hinweg zuverlässig. Auch gelöste Salze und andere Ionen, wie sie in natürlichen Gewässern vorkommen, beeinträchtigten die Leistung kaum. Das spricht dafür, dass der Ansatz nicht nur im Labor funktioniert.
„Diese Studie zeigt, wie marine Biomasse in ein Hochleistungsmaterial für die Umweltsanierung umgewandelt werden kann“, so die Forschenden. „Durch die Schaffung einer begrenzten Nanoreaktor-Umgebung haben wir die Effizienz des photokatalytischen Abbaus erheblich verbessert und neue Möglichkeiten für nachhaltige Wasserreinigungstechnologien eröffnet.“
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